EP0128092A1 - Tritium breeding solid blanket for a deuterium-tritium fusion reactor - Google Patents

Tritium breeding solid blanket for a deuterium-tritium fusion reactor Download PDF

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EP0128092A1
EP0128092A1 EP84401118A EP84401118A EP0128092A1 EP 0128092 A1 EP0128092 A1 EP 0128092A1 EP 84401118 A EP84401118 A EP 84401118A EP 84401118 A EP84401118 A EP 84401118A EP 0128092 A1 EP0128092 A1 EP 0128092A1
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EP
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pellets
tritigenic
tritium
circulation
plasma
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EP84401118A
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Gérard Chevereau
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Framatome SA
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    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21B—FUSION REACTORS
    • G21B1/00—Thermonuclear fusion reactors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/10—Nuclear fusion reactors

Definitions

  • the present invention relates to the field of reactors for producing energy by nuclear fusion from a plasma using the deuterium tritium reaction.
  • a plasma confined in a machine generally toroidal, for example of the Tokamak type, is used as source of neutrons.
  • the emitted neutrons are then sent to an adjacent area called the blanket, which comprises both a neutron multiplier medium and a "tritigenic" medium, that is to say in which, by reaction of these same neutrons on materials containing lithium, the tritium necessary to maintain the fusion reaction of this latter body with the deuterium is generated.
  • the present invention relates to such nuclear fusion reactors using solid tritigenic materials and especially relates to the constitution itself of the cover of this reactor, which moreover may be of any constitution known in this art. which concerns the part where the plasma is produced, producing the actual fusion reaction.
  • FIGS. 1a, 1b Two of the most commonly known known solutions are schematically represented in FIGS. 1a, 1b which will be described in more detail below.
  • Fig. lc represents the section along AA of one of the cylindrical columns of FIG. Ib.
  • the plasma producing device of any known type and in particular of the Tokamak type, of toroidal shape, is not part of the invention and is not shown in the figure. It would be located in Figures la and lb on the left side of the drawing and we simply represented, by arrows F, the flow of neutrons which penetrate into the cover.
  • a wall 1 called the first wall is subjected to the action of plasma from the confinement machine (Tokamak type or other) generating neutrons whose energy is around 14 MeV.
  • This first wall 1 made of stainless steel for example, completely separates the cover from the device and includes a cooling system as well as a system for pumping impurities not shown.
  • the ions or alpha particles also diffuse there by depositing about 20% of the fusion energy generated in the plasma.
  • the cover 2 strictly speaking, is made as one moves away from the plasma source, of a multiplier material 3 having a thickness of approximately 10 cm, of a tritigenic medium 4 having a thickness of about 30 to 50 cm in which the tritium is formed and of protection against radiation.
  • the multiplier medium 3 is constituted by beryllium enclosed in a steel casing 6 which allows the circulation of a coolant.
  • the multiplier material is provided in lead.
  • the tritigenic ceramic material 4 which is in the form of a stack of bricks crossed by a network of steel tubes 7 ensuring the circulation of the refrigerant (H 2 0 ).
  • This tritigenic ceramic material 4 is swept by an inert gas, generally helium, responsible for extracting the tritium formed.
  • This gas of which only the inlet 8 and the outlet 9 in the ceramic mass are shown in FIG. the, can circulate therein either simply by using its porosity, or by borrowing special conduits which have been dug there and which are not shown in FIG. the.
  • the tritigenic ceramics 4 are in the form of annular pellets 12 enclosed in a network of tubes 10.
  • the tubes 10 are double-walled allowing the circulation of the refrigerant (H 2 0) in the space 11 thus defined and contain in their central part the stack of annular pellets 12 swept by a current of helium 13.
  • cover 2 ends with a metal wall 14 for protection against radiation.
  • the dimensioning of the walls 1, 6, 10 for the pressure resistance of the coolant leads to a percentage of structural material in stainless steel of the order of 20 to 30%, which is detrimental to the production of tritium.
  • the tritigenic material 4 is generally in the form of ceramic, it has poor thermal conductivity, which leads, in the case of FIG. Ja, to tighten the pitch of the network of tubes of the heat transfer fluid by reducing the diameter of these tubes, for example to choose in the vicinity of the plasma a pitch of the order of 30 mm, resulting in a great complexity of the whole.
  • the subject of the present invention is precisely a device for covering a fusion reactor using the deuterium tritium reaction with solid tritigenic material which makes it possible to overcome most of the defects of the solutions previously considered previously and this in a particularly simple and effective manner.
  • This fusion reactor covering device of the type which comprises in a known manner in the vicinity of a neutron generating plasma, a neutron multiplier medium and a tritigenic medium cooled by circulation of a refrigerant fluid and a circulation of a neutral gas for entraining and extracting the tritium generated in the tritigenic medium to supply the plasma, is characterized in that the association of the multiplier and tritigenic media is produced by alternating stacks of pellets from each of these two media, maintained in intimate contact on all their lateral surfaces.
  • each stack forms a unitary module consisting of cylindrical pellets pierced with a central orifice and stacked in an annular casing with an internal diameter greater than the external diameter of the pellets and therefore comprising a lateral helium circulation chamber and a central cylinder also cylindrical around which the pellets are threaded and traversed by the refrigerant, the tightening of the pellets ensuring the intimate contact of their lateral faces being obtained under the effect of the compression of an elastic system bearing on the bottoms of the annular housing.
  • the cooling of the assembly by circulation of the coolant in a central pipe is ensured with very good efficiency and the sweeping of the tritigenic material by the neutral driving gas is also very satisfaying.
  • centralizers can be provided on the internal periphery of the surface of the pellets which make it possible to maintain a neutral gas layer between the central cylindrical orifice of the pellets and the central cylindrical pipe on which they are threaded. .
  • the fusion reactor covering device comprises an assembly of unit modules assembled in a single enclosure, said assemblies having cross sections increasing as a function of the distance which separates them from the generating plasma. of neutrons.
  • the latter comprises, in a single enclosure traversed by a neutral sweeping gas, an assembly of unitary modules each of which comprises a stack of cylindrical pellets pierced with a cylindrical orifice central through which they are threaded together on a central pipe also cylindrical and traversed by the coolant said assemblies having increasing cross sections as a function of the distance which separates them from the plasma generating neutrons.
  • the unit modules are no longer themselves enclosed in an annular box, but simply juxtaposed in a general enclosure which brings them all together and which is traversed by a gas scanning neutral.
  • the reactor cover to fusion comprises in a single enclosure traversed by a refrigerant gas, an assembly of unit modules each of which comprises a stack of solid pellets mounted adjacent in a cylindrical housing and provided with centralizers delimiting between the housing and the pellets a space for the circulation of neutral gas for driving tritium, said modules being each supplied and interconnected with one another by neutral gas lines driving tritium and the tightening of the pellets ensuring the intimate contact of their lateral faces being obtained under the effect of the compression of an elastic system supported on the bottom of the boxes.
  • the essential difference compared to the preceding embodiments consists in the fact that the pellets gathered in intimate contact by their lateral faces, are not provided with a central orifice and that the circulation of gas sweeping neutral is carried out at the external periphery of the pellets in an appropriate space obtained using centralizers fixing the position of the pellets in their respective housings.
  • the sweeping gas for example helium, circulates from one box to another using a system for interconnecting the boxes and the assembly is contained in a single enclosure whose axis of revolution is parallel to the neutron flux received from the plasma.
  • the quality of the stacking of the cylindrical pellets is improved by the fact that they alternately have shoulders and bores on one of their edges in order to allow their best nesting. respondent to each other.
  • FIG. 2a represents in section an element of the tritigenic cover subjected to the action of a plasma (neutron flux F) and separated from it by the first steel wall 1 constituting the interface of this cover with the plasma .
  • These pads 17 and 18 are in intimate contact, that is to say without the interposition of structural material and their faces are held one on the other using spring systems 19.
  • These springs 19 allow , during operation, the expansion of the pellets. This expansion is due to differential expansions, variations in volume under radiation and gas evolution. Another reason for keeping the various surfaces in contact lies in the need to ensure good thermal conductivity between the pellets.
  • the helium tritium carrier is evacuated via line 21 to be directed to an installation, not shown, for extraction and recycling in the plasma.
  • the tube 22 ensures the circulation of the refrigerant. In the present case, it is constituted by H 2 0, but it is possible to envisage cooling by D 2 0 or even by gas of the helium type.
  • FIG. 2b which is a section along AA of a pellet, whether it consists of multiplier material or tritigenic material, centralizers 27 are provided on the inner ring of the washer in order to provide a series of spaces 23. These spaces 23 allow the establishment of a helium blade acting as a heat conductor between the pellets 17, 18 and the refrigerant circulation tube 22. This helium strip makes it possible to establish the temperature difference necessary for maintaining the pellets 18 of tritigenic material in the desired temperature range. Thus, for a temperature of 800 ° C from a midpoint of the pellet 18, a temperature of about 700 ° C is noted on the peripheral and central surfaces of the pellet in contact with the helium blade .
  • This blade in contact with the tube 22 conveying pressurized water, gives up its calories to the water so as to allow an average rise of 40 ° C. of the water entering the tube 22 to around 280 ° C. Thereby and taking into account the heat losses in the materials of the enclosure structure, it can be established that the temperature of this blade is between 300 ° C. and 600 ° C. depending on the site.
  • the centralizers 27 shown in FIG. 2b forming an integral part of the pads 17 or 18 can be replaced by centralizers formed on the external surface of the tube 22 or by profiles arranged between this surface and the surface of the pads, as is the case centralizers 24 in FIG. 2d.
  • centralizers or profiles must allow a dimensioning of the space 23 of between 0.1 and 5 millimeters.
  • Fig. 2c shows a variant for mounting the stack.
  • the pellets 17 have in their central part a shoulder or step-25.
  • the pellets 18 have a central hole, the diameter of which, greater than the diameter of the central hole of the pellets 17, corresponds to the diameter defined by the shoulder 25. In this way, the pellets 18 retain very good alignment. It is obvious that the shoulder 25 can be machined near the periphery of the pellets 17, the centering function being likewise ensured.
  • pads 17 and 18 shown here with annular shapes can be of different design; they may, in particular, have square, rectangular or hexagonal sections.
  • Fig. 3 shows in section a so-called cluster arrangement of a set of stacks defining a cover portion.
  • This section is represented according to an arrangement of the axes of the stacks parallel to the toroidal direction.
  • a set of stacks 26 identical to that shown in FIG. 2a is arranged in a configuration allowing the area of the cross section of the pellets to be increased as a function of their distance supposed plasma coming from the left side of fig. 3. This increase in area tends to compensate for the drop in specific power of the most distant stack, which is therefore subject to weaker neutron energies.
  • the washers 17 or 18 arranged concentrically on the water circulation tubes 22 and spaced therefrom by centralizers 27 defining the space of the helium strip 23, are subjected to the scanning of helium circulating in the spaces 15 and 23.
  • the set of tubes 22 is joined by its inlet and outlet pipes so as to constitute a cooling circuit.
  • all of the spaces 15 are connected to constitute the helium scanning circuit.
  • a water circuit, not shown, makes it possible to cool the first wall 1.
  • the wall of the enclosure 1 is limited to the only part subjected to the plasma and adopts a toroidal shape of a certain length, compatible with that of the stacks 26.
  • Fig. 4 shows a variant of the so-called preceding cluster arrangement.
  • the stacks 26 are not individually enclosed in an annular envelope defining the circulation space 15 hflium.
  • the circulation of the refrigerant, whether H 2 0 or D 2 0, is always ensured by the central tubes 22, but the scanning of helium is common to all of the stacks or unit modules 26 and takes place in the space 28 in which they bathe.
  • the stacks have an axis parallel to the radial direction of the plasma, the pellets 17 and 18 are stacked in tubes 29 whose internal diameter corresponds to the external diameter of the pellets 17-18; this external diameter includes centralizers, not shown, in order to provide a space identical to the preceding space 23 (FIGS. 2, 3) delimiting a blade of sweeping gas, here helium.
  • the springs 19 maintain the stack of pellets 17, 18.
  • Conduits 30 joining the tubes 29 together ensure the circulation of the scanning helium of the tritigenic pellets.
  • the assembly is cooled using a circulation of helium penetrating through the lateral zone 31 and extracting the calories from all of the stacks 26 and structural materials such as enclosure 1 and the tubes 29.
  • Tranquilizers or baffles 32 are arranged in the enclosure 1 in order to effect optimized cooling of all of the stacks 26.
  • the helium cooling gas leaves along the path of the arrow 33 after having cooled unit modules or stacks 26.
  • the multiplier material has been presented as Pb or Be in the form of pure metal; for metallurgical reasons, these basic materials can be alloys or known compounds such as PbO, BeO, PbBi, Zr 5 Pb 3 , HZr, Zr ...

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Abstract

1. Fusion reactor blanket device using the D, T reaction with solid tritigenic materials comprising in the vicinity of a neutron generator plasma (F), a neutron multiplicator medium (3) associated with a tritigenic medium (4) cooled by the circulation of a cooling fuid and a circulation (8, 9) of a neutral gas for the entrainment and extraction of the tritium produced in the tritigenic medium for supplying the plasma, characterized in that the association of the neutron multiplicator and tritigenic media is realized by alternate piles of pellets (17, 18) of each of these two media, which are kept in intimate contact over their entire lateral surfaces.

Description

La présente invention se rapporte au domaine des réacteurs de production d'énergie par fusion nucléaire à partir d'un plasma utilisant la réaction deutérium tritium.The present invention relates to the field of reactors for producing energy by nuclear fusion from a plasma using the deuterium tritium reaction.

On sait que dans de tels réacteurs à fusion on utilise comme source de neutrons un plasma confiné dans une machine, généralement toroïdale, par exemple de type Tokamak. Dans une telle machine, les neutrons émis sont ensuite envoyés sur une zone adjacente appelée couverture, qui comporte à la fois un milieu multiplicateur de neutrons et un milieu "tritigêne", c'est-à-dire dans lequel, par réaction de ces mêmes neutrons sur des matériaux contenant du lithium, on engendre le tritium nécessaire à entretenir la réaction de fusion de ce dernier corps avec ledeu- térium.It is known that in such fusion reactors a plasma confined in a machine, generally toroidal, for example of the Tokamak type, is used as source of neutrons. In such a machine, the emitted neutrons are then sent to an adjacent area called the blanket, which comprises both a neutron multiplier medium and a "tritigenic" medium, that is to say in which, by reaction of these same neutrons on materials containing lithium, the tritium necessary to maintain the fusion reaction of this latter body with the deuterium is generated.

De façon plus précise, la présente invention se rapporte à de tels réacteurs à fusion nucléaire utilisant des matériaux tritigènes solides et concerne spécialement la constitution elle-même de la couverture de ce réacteur, lequel par ailleurs peut être d'une constitution quelconque connue en ce qui concerne la partie où l'on entretient le plasma produisant la réaction de fusion proprement dite.More specifically, the present invention relates to such nuclear fusion reactors using solid tritigenic materials and especially relates to the constitution itself of the cover of this reactor, which moreover may be of any constitution known in this art. which concerns the part where the plasma is produced, producing the actual fusion reaction.

Dans les réacteurs à fusion utilisant un plasma confiné dans une machine de type Tokamak par exemple, la couverture assure trois fonctions essentielles, à savoir :

  • - la production du tritium nécessaire à la réaction DT, par réaction des neutrons sur des matériaux contenant du lithium (Li) selon les équations de transmutation :
    Figure imgb0001
    Figure imgb0002
  • - la récupération de la chaleur produite, à des fins électrogènes ou autres.
  • - la limitation des fuites neutroniques.
In fusion reactors using a plasma confined in a Tokamak type machine for example, the cover performs three essential functions, namely:
  • the production of the tritium necessary for the DT reaction, by reaction of the neutrons on materials containing lithium (Li) according to the transmutation equations:
    Figure imgb0001
    Figure imgb0002
  • - recovery of the heat produced, for generator or other purposes.
  • - limitation of neutron leaks.

Les principales difficultés rencontrées lors des conceptions de couvertures imaginées jusqu'ici découlent des possibilités de combinaison des principaux paramètres suivants :

  • - la nature des matériaux tritigènes, liquides ou solides ;
  • - la nature du fluide caloporteur et son sens de circulation ;
  • - la nature du matériau de structure
  • - la conception de l'interface avec le plasma (première paroi), intégrée ou non à la couverture.
The main difficulties encountered in the hedging designs imagined so far arise from the possibilities of combining the following main parameters:
  • - the nature of the tritigenic materials, liquid or solid;
  • - the nature of the heat transfer fluid and its direction of circulation;
  • - the nature of the structural material
  • - the design of the interface with the plasma (first wall), integrated or not in the cover.

Vis-à-vis des paramètres précédents, la prise en compte des compatibilités chimiques des matériaux entre eux et le bilan de neutrons nécessaires pour obtenir le tritium d'une manière autonome conduisent à ne retenir qu'un nombre limité de solutions.With regard to the previous parameters, taking into account the chemical compatibilities of the materials with each other and the neutron balance necessary to obtain the tritium in an autonomous manner lead to choosing only a limited number of solutions.

L'une d'elles couramment envisagée repose sur les options suivantes :

  • - le matériau tritigène est solide ; il est constitué de céramiques de lithium telles que Li20, LiAlO2, Li2SiO3, Li2TiQ3... ou éventuellement l'alliage Al-Li, associés avec un multiplicateur de neutrons comme Be, Pb ou Zr ou leurs composés,
  • - le fluide caloporteur est de l'eau pressurisée (H20 ou D2O) ou de 1'hélium ;
  • - le matériau de gainage et de structure est de l'acier inoxydable.
One of them commonly considered is based on the following options:
  • - the tritigenic material is solid; it consists of lithium ceramics such as Li 2 0, LiAlO 2 , Li 2 SiO 3 , Li 2 TiQ 3 ... or possibly the Al-Li alloy, associated with a neutron multiplier such as Be, Pb or Zr or their compounds,
  • - the heat transfer fluid is pressurized water (H 2 0 or D 2 O) or helium;
  • - the sheathing and structural material is stainless steel.

Cette solution entraine les astreintes suivantes :

  • - le pourcentage de matériau de structure doit être aussi faible que possible pour éviter les captures de neutrons ;
  • - la nécessité d'une circulation de gaz neutre à faible pression, par exemple de l'hélium, pour extraire le tritium de la couverture d'une manière continue, ou à intervalles de temps très rapprochés, et le réinjecter dans le plasma.
  • - le maintien des matériaux tritigènes dans des plages de température données requises pour l'extraction du tritium. Par exemple 500°-850°C pour une céramique LiAlO2 (500°C étant la température minimum d'extraction du tritium, 850°C étant la température maximale de tenue de la céramique),
  • - des caractéristiques du fluide caloporteur voisines de celles des réacteurs de puissance électrogènes soit pour l'eau une pression de 150 bars et une température de 280°-320°C, et pour l'hélium 50 bars et 250°-500°C.
This solution causes the following penalties:
  • - the percentage of structural material must be as low as possible to avoid neutron capture;
  • - the need for a circulation of neutral gas at low pressure, for example helium, to extract the tritium from the cover continuously, or at very close time intervals, and reinject it into the plasma.
  • - the maintenance of tritigenic materials within given temperature ranges required for the extraction of tritium. For example 500 ° -850 ° C for a LiAlO 2 ceramic (500 ° C being the minimum tritium extraction temperature, 850 ° C being the maximum holding temperature of the ceramic),
  • - characteristics of the heat transfer fluid close to those of the power generating reactors, ie for water a pressure of 150 bars and a temperature of 280 ° -320 ° C, and for helium 50 bars and 250 ° -500 ° C.

De nombreuses variantes de couvertures pour réacteurs à fusion ont été envisagées à ce jour.Many cover variants for fusion reactors have been considered to date.

Deux des solutions connues les plus couramment proposées sont schématiquement représentées sur les figures la,lb que l'on décrira plus en détail ci-après.Two of the most commonly known known solutions are schematically represented in FIGS. 1a, 1b which will be described in more detail below.

La fig. lc représente la coupe selon AA de l'une des colonnes cylindriques de la fig. Ib.Fig. lc represents the section along AA of one of the cylindrical columns of FIG. Ib.

Le dispositif producteur de plasma, d'un type quelconque connu et notamment du type Tokamak, de forme toroïdale, ne fait pas partie de l'invention et n'est pas représenté sur la figure. Il serait situé sur les figures la et lb sur la partie gauche du dessin et on a simplement représenté, par des flèches F, le flux de neutrons qui pénètrent dans la couverture.The plasma producing device, of any known type and in particular of the Tokamak type, of toroidal shape, is not part of the invention and is not shown in the figure. It would be located in Figures la and lb on the left side of the drawing and we simply represented, by arrows F, the flow of neutrons which penetrate into the cover.

Une paroi 1 appelée première paroi est soumise à l'action du plasma issu de la machine à confinement (type Tokamak ou autre) engendrant des neutrons dont l'énergie est d'environ 14 MeV. Cette première paroi 1, en acier inoxydable par exemple, sépare complètement la couverture du dispositif et comprend un système de refroidissement ainsi qu'un système de pompage des impuretés non représentés.A wall 1 called the first wall is subjected to the action of plasma from the confinement machine (Tokamak type or other) generating neutrons whose energy is around 14 MeV. This first wall 1, made of stainless steel for example, completely separates the cover from the device and includes a cooling system as well as a system for pumping impurities not shown.

Elle arrête la plus grande partie du rayonnement alpha. Les ions ou particules alpha y diffusent également en y déposant environ 20 % de l'énergie de fusion engendrée dans le plasma.It stops most of the alpha radiation. The ions or alpha particles also diffuse there by depositing about 20% of the fusion energy generated in the plasma.

La couverture 2 à proprement parler, est constituée au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la source de plasma, d'un matériau multiplicateur 3 ayant une épaisseur d'environ 10 cm, d'un milieu tritigène 4 ayant une épaisseur d'environ 30 à 50 cm dans lequel se forme le tritium et d'une protection 5 contre le rayonnement.The cover 2 strictly speaking, is made as one moves away from the plasma source, of a multiplier material 3 having a thickness of approximately 10 cm, of a tritigenic medium 4 having a thickness of about 30 to 50 cm in which the tritium is formed and of protection against radiation.

Dans le cas de la fig. la, le milieu multiplicateur 3 est constitué par du béryllium enfermé dans une enveloppe 6 en acier qui permet d'assurer la circulation d'un réfrigérant.In the case of fig. la, the multiplier medium 3 is constituted by beryllium enclosed in a steel casing 6 which allows the circulation of a coolant.

Dans le cas de la figure lb, le matériau multiplicateur est prévu en plomb.In the case of FIG. 1b, the multiplier material is provided in lead.

A l'arrière du multiplicateur 3, comme représenté sur la figure la, est disposé le matériau céramique tritigène 4 qui se présente sous la forme d'un empilement de briques traversé par un réseau de tubes 7 en acier assurant la circulation du réfrigérant (H2 0).At the rear of the multiplier 3, as shown in FIG. 1a, is arranged the tritigenic ceramic material 4 which is in the form of a stack of bricks crossed by a network of steel tubes 7 ensuring the circulation of the refrigerant (H 2 0 ).

Ce matériau céramique tritigène 4 est balayé par un gaz inerte, généralement de l'hélium, chargé d'extraire le tritium formé. Ce gaz, dont seules l'entrée 8 et la sortie 9 dans la masse de céramique sont représentées sur la fig. la, peut circuler dans celle-ci soit simplement en utilisant sa porosité, soit en empruntant des conduits spéciaux qu'on y a creusés et qui ne sont pas représentés sur la fig. la.This tritigenic ceramic material 4 is swept by an inert gas, generally helium, responsible for extracting the tritium formed. This gas, of which only the inlet 8 and the outlet 9 in the ceramic mass are shown in FIG. the, can circulate therein either simply by using its porosity, or by borrowing special conduits which have been dug there and which are not shown in FIG. the.

Dans le cas des fig. lb et lc, les céramiques tritigènes 4 se présentent sous la forme de pastilles annulaires 12 enfermées dans un réseau de tubes 10. Les tubes 10 sont à double paroi permettant dans l'espace 11 ainsi défini, la circulation du réfrigérant (H20) et contiennent dans leur partie centrale l'empilement des pastilles annulaires 12 balayées par un courant d'hélium 13.In the case of figs. lb and lc, the tritigenic ceramics 4 are in the form of annular pellets 12 enclosed in a network of tubes 10. The tubes 10 are double-walled allowing the circulation of the refrigerant (H 2 0) in the space 11 thus defined and contain in their central part the stack of annular pellets 12 swept by a current of helium 13.

Enfin la couverture 2 se termine par une paroi métallique 14 de protection contre les rayonnements.Finally the cover 2 ends with a metal wall 14 for protection against radiation.

D'autres conceptions reposent sur l'utilisation d'empilements de billes ou boulets entre lesquels le fluide caloporteur circule, avec optimisation de la proportion de billes ou de boulets des matériaux multiplicateur et tritigène. Dans cette disposition toutefois, il faut envisager un déplacement permanent ou circulation des boulets, et la structure géométrique torique liée au confinement du.type Tokamak n'est pas favorable à une circulation assurée des boulets, circulation nécessaire pour l'extraction du tritium. En outre, les pressions de contact "sphère sur sphère" élevées créent des problèmes d'usure et d'interaction.Other designs are based on the use of stacks of balls or balls between which the heat transfer fluid circulates, with optimization of the proportion of balls or balls of the multiplier and tritigenic materials. In this arrangement, however, it is necessary to envisage a permanent displacement or circulation of the balls, and the toric geometric structure linked to the confinement of the Tokamak type is not favorable to an assured circulation of the balls, circulation necessary for the extraction of the tritium. In addition, the high "sphere on sphere" contact pressures create wear and interaction problems.

Les dispositions précédentes présentent un certain nombre d'inconvénients parmi lesquels on citera les suivants :

  • 1 - une difficile utilisation des multiplicateurs de neutrons. En effet :
    • Si c'est le plomb, comme sa température de fusion est basse, il faut le refroidir très activement d'où une difficulté de récupérer la chaleur à un niveau de température compatible avec un réacteur électrogène. En effet, compte tenu de la décroissance exponentielle de la puissance dégagée dans l'épaisseur de la couverture, la quantité de chaleur dégagée dans cette zone qui est la plus proche du plasma n'est pas négligeable.
    • Si c'est le béryllium, les neutrons émis par multiplication ont une tendance fâcheuse à être capturés par la première paroi voisine 1 qui comporte un pourcentage élevé de matériau de structure. Pour y remédier, il a parfois été envisagé de disposer une autre couche de béryllium à l'intérieur de la zone tritigène d'où il résulte alors une plus grande complexité.
  • 2 - une difficile adaptation à un réacteur de puissance :
    • Dans la solution de la figure la, les contraintes des jeux de montage et des dilatations thermiques différentelles ne sont guère compatibles avec des puissances spécifiques élevées à transmettre entre les blocs de céramiques et les tubes contenant le caloporteur ; les coudes compliquent encore le problème. L'extraction du tritium par balayage d'hélium dans l'ensemble du plénum risque d'être inefficace en raison de la compacité du milieu d'où un risque de ne pouvoir assurer le cycle du tritium et son injection dans le plasma.
The preceding arrangements have a certain number of drawbacks, among which the following will be cited:
  • 1 - difficult use of neutron multipliers. Indeed :
    • If it is lead, as its melting temperature is low, it must be cooled very actively, which makes it difficult to recover the heat at a temperature level compatible with a generator. Indeed, taking into account the exponential decrease of the power released in the thickness of the cover, the quantity of heat released in this zone which is closest to the plasma is not negligible.
    • If it is beryllium, the neutrons emitted by multiplication have an unfortunate tendency to be captured by the first neighboring wall 1 which contains a high percentage of structural material. To remedy this, it has sometimes been envisaged to have another layer of beryllium inside the tritigenic zone from which this results in greater complexity.
  • 2 - a difficult adaptation to a power reactor:
    • In the solution of FIG. 1a, the constraints of the mounting clearances and of the different thermal expansions are hardly compatible with high specific powers to be transmitted between the ceramic blocks and the tubes containing the coolant; the elbows further complicate the problem. The extraction of tritium by scanning helium throughout the plenum may be ineffective due to the compactness of the medium, hence a risk of being unable to ensure the cycle of tritium and its injection into the plasma.

Dans la solution de la figure lb, le dimensionnement des parois 1, 6, 10 pour la tenue à la pression du caloporteur conduit à un pourcentage de matériau de structure en acier inoxydable de l'ordre de 20 à 30 %, ce qui est préjudiciable à la production de tritium.In the solution of FIG. 1b, the dimensioning of the walls 1, 6, 10 for the pressure resistance of the coolant leads to a percentage of structural material in stainless steel of the order of 20 to 30%, which is detrimental to the production of tritium.

Dans les deux solutions, le matériau tritigène 4 étant généralement sous forme de céramique, il a une mauvaise conductibilité thermique, ce qui conduit, dans le cas de la Fig. Ja, à resserrer le pas du réseau des tubes du fluide caloporteur par diminution du diamètre de ces tubes, par exemple à choisir au voisinage du plasma un pas de l'ordre de 30 mm, d'où une grande complexité de l'ensemble.In both solutions, since the tritigenic material 4 is generally in the form of ceramic, it has poor thermal conductivity, which leads, in the case of FIG. Ja, to tighten the pitch of the network of tubes of the heat transfer fluid by reducing the diameter of these tubes, for example to choose in the vicinity of the plasma a pitch of the order of 30 mm, resulting in a great complexity of the whole.

La présente invention a précisément pour objet un dispositif de couverture de réacteur à fusion utilisant la réaction deutérium tritium à matériau tritigène solide qui permet de pallier la plupart des défauts des solutions antérieurement envisagées précédemment et ce d'une façon particulièrement simple et efficace.The subject of the present invention is precisely a device for covering a fusion reactor using the deuterium tritium reaction with solid tritigenic material which makes it possible to overcome most of the defects of the solutions previously considered previously and this in a particularly simple and effective manner.

Ce dispositif de couverture de réacteur à fusion, du genre de ceux qui comportent de façon connue au voisinage d'un plasma générateur de neutrons, un milieu multiplicateur de neutrons et un milieu tritigène refroidis par circulation d'un fluide réfrigérant et une circulation d'un gaz neutre d'entraînement et d'extraction du tritium engendré dans le milieu tritigène pour alimenter le plasma, se caractérise en ce que l'association des milieux multiplicateur et tritigène est réalisée par des empilements alternés de pastilles de chacun de ces deux milieux, maintenues en contact intime sur toutes leurs surfaces latérales.This fusion reactor covering device, of the type which comprises in a known manner in the vicinity of a neutron generating plasma, a neutron multiplier medium and a tritigenic medium cooled by circulation of a refrigerant fluid and a circulation of a neutral gas for entraining and extracting the tritium generated in the tritigenic medium to supply the plasma, is characterized in that the association of the multiplier and tritigenic media is produced by alternating stacks of pellets from each of these two media, maintained in intimate contact on all their lateral surfaces.

Le fait de composer la masse réagissante aux neutrons émis par le flux de plasma à l'aide d'un empilement alterné de pastilles alternativement multiplicatrices de neutrons et tritigènes, permet de résoudre facilement les problèmes thermiques, neutroniques, ainsi que de réfrigération et d'extraction du tritium formé, qui découlait, dans les solutions antérieures, de la séparation dans l'espace des milieux multiplicateurs et tritigènes ainsi que du caractère massif de chacun d'entre eux. De plus, la mise en oeuvre de l'invention permet, en choisissant convenablement les épaisseurs respectives des pastilles de matériau multiplicateur et de matériau tritigène, en fonction du lieu où elles se situent dans la couverture et donc du flux de neutrons qu'elles reçoivent, de construire pratiquement sur mesure un milieu multiplicateur et tritigène optimisé.The fact of composing the mass reacting to the neutrons emitted by the plasma flow using an alternating stack of pellets alternately multiplying neutrons and tritigens, makes it possible to easily solve the thermal, neutron, as well as refrigeration and extraction of the tritium formed, which resulted, in previous solutions, from the separation in space of the media multipliers and tritigens as well as the massive character of each of them. In addition, the implementation of the invention makes it possible, by suitably choosing the respective thicknesses of the pellets of multiplier material and tritigenic material, as a function of the place where they are located in the cover and therefore of the neutron flux which they receive. , to build an optimized multiplying and tritigenic medium practically to measure.

Dans une réalisation spécialement intéressante du dispositif objet de l'invention, chaque empilement forme un module unitaire constitué de pastilles cylindriques percées d'un orifice central et empilées dans un boîtier annulaire de diamètre interne supérieur au diamètre externe des pastilles et comportant de ce fait une chambre latérale de circulation d'hélium et une canalisation centrale également cylindrique autour de laquelle sont enfilées les pastilles et parcourue par le fluide réfrigérant, le serrage des pastilles assurant le contact intime de leurs faces latérales étant obtenu sous l'effet de la compression d'un système élastique prenant appui sur les fonds du boîtier annulaire.In a particularly advantageous embodiment of the device which is the subject of the invention, each stack forms a unitary module consisting of cylindrical pellets pierced with a central orifice and stacked in an annular casing with an internal diameter greater than the external diameter of the pellets and therefore comprising a lateral helium circulation chamber and a central cylinder also cylindrical around which the pellets are threaded and traversed by the refrigerant, the tightening of the pellets ensuring the intimate contact of their lateral faces being obtained under the effect of the compression of an elastic system bearing on the bottoms of the annular housing.

Dans des réalisations conformes à ce mode de mise en oeuvre, le refroidissement de l'ensemble par circulation du fluide réfrigérant dans une canalisation centrale est assuré avec une très bonne efficacité et le balayage de la matière tritigène par le gaz neutre d'entraînement est également très satisfaisant. A cet effet d'ailleurs, on peut prévoir des centreurs sur la périphérie interne de la surface des pastilles qui permettent de maintenir une lame de gaz neutre entre l'orifice cylindrique central des pastilles et la canalisation cylindrique centrale sur laquelle celles-ci sont enfilées.In embodiments in accordance with this embodiment, the cooling of the assembly by circulation of the coolant in a central pipe is ensured with very good efficiency and the sweeping of the tritigenic material by the neutral driving gas is also very satisfaying. For this purpose, moreover, centralizers can be provided on the internal periphery of the surface of the pellets which make it possible to maintain a neutral gas layer between the central cylindrical orifice of the pellets and the central cylindrical pipe on which they are threaded. .

Selon une disposition avantageuse du mode de mise en oeuvre précédent, le dispositif de couverture de réacteur à fusion comporte un assemblage de modules unitaires rassemblées dans une enceinte unique, lesdits assemblages ayant des sections droites croissantes en fonction de la distance qui les sépare du plasma générateur de neutrons.According to an advantageous arrangement of the previous embodiment, the fusion reactor covering device comprises an assembly of unit modules assembled in a single enclosure, said assemblies having cross sections increasing as a function of the distance which separates them from the generating plasma. of neutrons.

On conçoit en effet que la densité de neutrons reçue par la couverture variant d'un point à l'autre de son épaisseur, il est avantageux de disposer des modules unitaires de plus faible section, donc en plus grand nombre à l'endroit où ce flux de neutrons est le plus intense, les conditions de refroidissement restant égales par ailleurs d'un module à l'autre.It is in fact conceivable that the density of neutrons received by the cover varying from one point to another of its thickness, it is advantageous to have unit modules of smaller section, therefore in greater number at the place where this neutron flux is the most intense, the cooling conditions remaining equal from one module to another.

Selon une autre variante du dispositif de couverture de réacteur à fusion selon l'invention, ce dernier comprend dans une enceinte unique parcourue par un gaz neutre de balayage un assemblage de modules unitaires dont chacun comporte un empilement de pastilles cylindriques percées d'un orifice cylindrique central par l'intermédiaire duquel elles sont enfilées conjointement sur une canalisation centrale également cylindrique et parcourue par le fluide réfrigérant lesdits assemblages ayant des sections droites croissantes en fonction de la distance qui les sépare du plasma générateur de neutrons.According to another variant of the fusion reactor covering device according to the invention, the latter comprises, in a single enclosure traversed by a neutral sweeping gas, an assembly of unitary modules each of which comprises a stack of cylindrical pellets pierced with a cylindrical orifice central through which they are threaded together on a central pipe also cylindrical and traversed by the coolant said assemblies having increasing cross sections as a function of the distance which separates them from the plasma generating neutrons.

Dans ce mode de mise en oeuvre, simplifié en quelque sorte par rapport au précédent, les modules unitaires ne sont plus eux-mêmes enfermés dans un boîtier annulaire, mais simplement juxtaposés dans une enceinte générale qui les rassemble tous et qui est parcourue par un gaz neutre de balayage.In this embodiment, simplified in a way compared to the previous one, the unit modules are no longer themselves enclosed in an annular box, but simply juxtaposed in a general enclosure which brings them all together and which is traversed by a gas scanning neutral.

Selon un autre mode de mise en oeuvre de la présente invention, la couverture de réacteur à fusion comprend dans une enceinte unique parcourue par un gaz réfrigérant, un assemblage de modules unitaires dont chacun comporte un empilement de pastilles pleines montées adjacentes dans un boîtier cylindrique et munies de centreurs délimitant entre le boîtier et les pastilles un espace pour la circulation du gaz neutre d'entraînement du tritium, lesdits modules étant alimentés chacun et interconnectés entre eux par des conduites de gaz neutre d'entraînement du tritium et le serrage des pastilles assurant le contact intime de leurs faces latérales étant obtenu sous l'effet de la compression d'un système élastique prenant appui sur les fonds des boîtiers.According to another embodiment of the present invention, the reactor cover to fusion comprises in a single enclosure traversed by a refrigerant gas, an assembly of unit modules each of which comprises a stack of solid pellets mounted adjacent in a cylindrical housing and provided with centralizers delimiting between the housing and the pellets a space for the circulation of neutral gas for driving tritium, said modules being each supplied and interconnected with one another by neutral gas lines driving tritium and the tightening of the pellets ensuring the intimate contact of their lateral faces being obtained under the effect of the compression of an elastic system supported on the bottom of the boxes.

Dans ce mode de mise en oeuvre, la différence essentielle par rapport aux réalisations précédentes, consiste dans le fait que les pastilles rassemblées en contact intime par leurs faces latérales, ne sont pas pourvues d'un orifice central et que la circulation de balayage de gaz neutre s'effectue à la périphérie externe des pastilles dans un espace approprié obtenu à l'aide de centreurs fixant la position des pastilles dans leurs boîtiers respectifs. Dans ce mode de mise en oeuvre, le gaz de balayage, par exemple de l'hélium, circule d'un boîtier à l'autre à l'aide d'un système d'interconnexion des boîtiers et l'ensemble est contenu dans une enceinte unique dont l'axe de révolution est parallèle au flux de neutrons reçu en provenance du plasma.In this mode of implementation, the essential difference compared to the preceding embodiments, consists in the fact that the pellets gathered in intimate contact by their lateral faces, are not provided with a central orifice and that the circulation of gas sweeping neutral is carried out at the external periphery of the pellets in an appropriate space obtained using centralizers fixing the position of the pellets in their respective housings. In this embodiment, the sweeping gas, for example helium, circulates from one box to another using a system for interconnecting the boxes and the assembly is contained in a single enclosure whose axis of revolution is parallel to the neutron flux received from the plasma.

Enfin, selon une disposition intéressante du dispositif de l'invention, on perfectionne la qualité de l'empilement des pastilles cylindriques par le fait qu'elles comportent alternativement des épaulements et des alésages sur l'un des leurs bords afin de permettre leur meilleur emboîtement intimé les unes dans les autres.Finally, according to an advantageous arrangement of the device of the invention, the quality of the stacking of the cylindrical pellets is improved by the fact that they alternately have shoulders and bores on one of their edges in order to allow their best nesting. respondent to each other.

De toute façon, la présente invention sera mieux comprise en se référant à la description qui suit de plusieurs exemples de mise en oeuvre donnés surtout à titre illustratif et non limitatif. Cette description sera faite en se référant aux figures 2 à 5 ci-jointes sur lesquelles :

  • - la fig. 2a est une vue schématique du premier mode de réalisation dans lequel les empilements de pastilles sont situés dans un boîtier annulaire ;
  • - la fig. 2b est une coupe de la fig. 2a selon la section AA qui montre les centreurs des pastilles ;
  • - la fig. 2c est une coupe selon l'axe du boîtier de la fig. 2a montrant le système d'épaulements et d'alésages permettant d'assurer l'empilement correct des pastilles consécutives et la fig. 2d est une vue en perspective montrant deux pastilles adjacentes écartées et permettant de mieux comprendre leur fixation l'une sur l'autre ;
  • - la fig. 3 montre un exemple de réalisation du dispositif de l'invention dans lequel chacun des empilements muni de son boîtier annulaire est enfermé dans une enceinte unique ;
  • - la fig. 4 montre une variante du dispositif de la fig. 3 dans lequel les empilements de pastilles ne sont pas insérés individuellement dans des boîtiers annulaires ;
  • - la fig. 5 montre enfin un mode de réalisation particulier dans lequel les pastilles ne comportent pas d'orifice central et sont assemblées dans une enceinte unique sous forme de modules unitaires chacun dans un boîtier, les différents boîtiers étant adjacents les uns aux autres.
In any case, the present invention will be better understood by referring to the following description of several examples of implementation given above all by way of illustration and not limitation. This description will be made with reference to Figures 2 to 5 attached in which:
  • - fig. 2a is a schematic view of the first embodiment in which the stacks of pellets are located in an annular housing;
  • - fig. 2b is a section of FIG. 2a according to section AA which shows the centralizers of the pellets;
  • - fig. 2c is a section along the axis of the housing of FIG. 2a showing the system of shoulders and bores making it possible to ensure the correct stacking of the consecutive pellets and FIG. 2d is a perspective view showing two adjacent pads spaced apart and making it possible to better understand their attachment to one another;
  • - fig. 3 shows an embodiment of the device of the invention in which each of the stacks provided with its annular housing is enclosed in a single enclosure;
  • - fig. 4 shows a variant of the device of FIG. 3 wherein the stacks of pellets are not inserted individually in annular housings;
  • - fig. 5 finally shows a particular embodiment in which the pellets do not have a central orifice and are assembled in a single enclosure in the form of unitary modules each in a housing, the various housings being adjacent to each other.

La figure 2a représente en coupe un élément de la couverture tritigène soumis à l'action d'un plasma (flux de neutrons F) et séparé de celui-ci par la première paroi 1 en acier constituant l'interface de cette couverture avec le plasma.FIG. 2a represents in section an element of the tritigenic cover subjected to the action of a plasma (neutron flux F) and separated from it by the first steel wall 1 constituting the interface of this cover with the plasma .

A l'intérieur d'un espace annulaire 15 défini par une paroi circulaire en acier 16 et un tube central en acier 22 est disposé, coaxialement au tube 22, un empilement de rondelles ou de pastilles annulaires de matériau multiplicateur 17 et de matériau céramique tritigène 18. Ces pastilles 17 et.18 sont en contact intime, c'est-à-dire sans interposition de matériau de structure et leurs faces sont maintenues les unes sur les autres à l'aide de systèmes à ressort 19. Ces ressorts 19 permettent, lors du fonctionnement, l'expansion des pastilles. Cette expansion est due aux dilatations différentielles, aux variations de volume sous rayonnement et au dégagement gazeux. Une autre raison du maintien des différentes surfaces en contact réside dans la nécessité d'assurer entre les pastilles une bonne conductibilité thermique.Inside a annular space 15 defined by a circular steel wall 16 and a central steel tube 22 is arranged, coaxially with the tube 22, a stack of rings or annular discs of multiplier material 17 and tritigenic ceramic material 18. These pads 17 and 18 are in intimate contact, that is to say without the interposition of structural material and their faces are held one on the other using spring systems 19. These springs 19 allow , during operation, the expansion of the pellets. This expansion is due to differential expansions, variations in volume under radiation and gas evolution. Another reason for keeping the various surfaces in contact lies in the need to ensure good thermal conductivity between the pellets.

Une circulation de gaz (hélium) entre en 20 et est assurée dans l'espace annulaire 15. Cette circulation permet d'effectuer un balayage des pastilles 17, 18 et, de ce fait, de se charger du tritium dégagé. L'hélium vecteur de tritium est évacué par la conduite 21 pour être dirigé sur une installation, non représentée, d'extraction et de recyclage dans le plasma. Le tube 22 assure la circulation du réfrigérant. Dans le cas présent, celui-ci est constitué par de l'H 20, mais il est possible d'envisager un refroidissement par D20 ou même par gaz du type hélium.A circulation of gas (helium) enters at 20 and is ensured in the annular space 15. This circulation makes it possible to carry out a scanning of the pellets 17, 18 and, therefore, to take care of the released tritium. The helium tritium carrier is evacuated via line 21 to be directed to an installation, not shown, for extraction and recycling in the plasma. The tube 22 ensures the circulation of the refrigerant. In the present case, it is constituted by H 2 0, but it is possible to envisage cooling by D 2 0 or even by gas of the helium type.

L'eau, à une pression d'environ 150 bars, pénètre dans le tube 22 à une température d'environ 280°C et sort à une température d'environ 320°C. Ce caloporteur est dirigé en aval vers une unité de production de vapeur utilisée, à titre d'exemple, comme source électrogène. Cette unité non représentée est d'un type bien connu dans les chaudières électronu- cléaires actuelles. Dans l'empilement tel que représenté sur la figure 2a, la proportion en volume du multiplicateur est défini par le rapport a b des épaisseurs respectives des pastilles 17 et 18. L'optimisation par calculs neutroniques permet de situer cette proportion entre 5 et 10. C'est ainsi que, dans cet exemple, les pastilles 17, représentent une proportion de 80 % en Béryllium de l'empilement.Water, at a pressure of approximately 150 bars, enters the tube 22 at a temperature of approximately 280 ° C and comes out at a temperature of around 320 ° C. This coolant is directed downstream to a steam production unit used, for example, as a generator source. This unit, not shown, is of a type well known in current nuclear power boilers. In the stack as shown in FIG. 2a, the volume proportion of the multiplier is defined by the ratio ab of the respective thicknesses of the pellets 17 and 18. Optimization by neutron calculations makes it possible to locate this proportion between 5 and 10. C 'Thus, in this example, the pellets 17, represent a proportion of 80% Beryllium of the stack.

Comme représenté sur la figure 2b qui est une coupe selon AA d'une pastille, qu'elle soit constituée de matériau multiplicateur ou de matériau tritigène, des centreurs 27 sont prévus sur la couronne intérieure de la rondelle afin de ménager une série d'espaces 23. Ces espaces 23 permettent l'établissement d'une lame d'hélium agissant comme conducteur de calories entre les pastilles 17, 18 et le tube 22 de circulation du réfrigérant. Cette lame d'hélium permet d'établir l'écart de température nécessaire au maintien des pastilles 18 de matériau tritigène dans la gamme de température désirée. C'est ainsi que, pour une température de 800°C d'un point médian de la pastille 18, on relève une température d'environ 700°C sur les surfaces périphérique et centrale de la pastille au contact de la lame d'hélium. Cette lame, au contact avec le tube 22 véhiculant de l'eau sous pression, cède à l'eau ses calories de façon à permettre une élévation moyenne de 40°C de l'eau pénétrant dans le tube 22 à environ 280°C. De ce fait et compte tenu des pertes calorifiques dans les matériaux de structure de l'enceinte, on peut établir que la température de cette lame est comprise en fonction du site entre 300°C et 600°C. Les centreurs 27 représentés sur la figure 2b faisant partie intégrante des pastilles 17 ou 18 peuvent être remplacés par des centreurs pratiqués sur la surface externe du tube 22 ou par des profilés disposés entre cette surface et la surface des pastilles, comme c'est le cas des centreurs 24 sur la Fig. 2d.As shown in FIG. 2b which is a section along AA of a pellet, whether it consists of multiplier material or tritigenic material, centralizers 27 are provided on the inner ring of the washer in order to provide a series of spaces 23. These spaces 23 allow the establishment of a helium blade acting as a heat conductor between the pellets 17, 18 and the refrigerant circulation tube 22. This helium strip makes it possible to establish the temperature difference necessary for maintaining the pellets 18 of tritigenic material in the desired temperature range. Thus, for a temperature of 800 ° C from a midpoint of the pellet 18, a temperature of about 700 ° C is noted on the peripheral and central surfaces of the pellet in contact with the helium blade . This blade, in contact with the tube 22 conveying pressurized water, gives up its calories to the water so as to allow an average rise of 40 ° C. of the water entering the tube 22 to around 280 ° C. Thereby and taking into account the heat losses in the materials of the enclosure structure, it can be established that the temperature of this blade is between 300 ° C. and 600 ° C. depending on the site. The centralizers 27 shown in FIG. 2b forming an integral part of the pads 17 or 18 can be replaced by centralizers formed on the external surface of the tube 22 or by profiles arranged between this surface and the surface of the pads, as is the case centralizers 24 in FIG. 2d.

Ces centreurs ou profilés doivent permettre un dimensionnement de l'espace 23 compris entre 0,1 et 5 millimètres.These centralizers or profiles must allow a dimensioning of the space 23 of between 0.1 and 5 millimeters.

La fig. 2c représente une variante de montage de l'empilement. Dans cette réalisation, les pastilles 17 possèdent dans leur partie centrale un épaulement ou redan-25. Les pastilles 18 possèdent un trou central dont le diamètre, supérieur au diamètre du trou central des pastilles 17, correspond au diamètre défini par l'épaulement 25. De cette manière, les pastilles 18 conservent un très bon alignement. Il est évident que l'épaulement 25 peut être usiné près de la périphérie des pastilles 17, la fonction de centrage étant de même assurée.Fig. 2c shows a variant for mounting the stack. In this embodiment, the pellets 17 have in their central part a shoulder or step-25. The pellets 18 have a central hole, the diameter of which, greater than the diameter of the central hole of the pellets 17, corresponds to the diameter defined by the shoulder 25. In this way, the pellets 18 retain very good alignment. It is obvious that the shoulder 25 can be machined near the periphery of the pellets 17, the centering function being likewise ensured.

Enfin, les pastilles 17 et 18 représentées ici avec des formes annulaires peuvent être de conception différente ; elles peuvent, notamment, présenter des sections carrées, rectangulaires ou hexagonales.Finally, the pads 17 and 18 shown here with annular shapes can be of different design; they may, in particular, have square, rectangular or hexagonal sections.

La fig. 3 représente en coupe une disposition dite en grappe d'un ensemble d'empilements définissant une portion de couverture.Fig. 3 shows in section a so-called cluster arrangement of a set of stacks defining a cover portion.

Cette coupe est représentée selon une disposition des axes des empilements parallèles à la direction toroldale.This section is represented according to an arrangement of the axes of the stacks parallel to the toroidal direction.

Dans l'enceinte cylindrique circulaire définie par la première paroi 1, un ensemble d'empilements 26 identiques à celui représenté sur la figure 2a est disposé selon une configuration autorisant l'augmentation de la superficie de la section droite des pastilles en fonction de leur éloignement du plasma supposé venant du côté gauche de la fig. 3. Cette augmentation de superficie tend à compenser la baisse de puissance spécifique de l'empilement le plus éloigné et qui est de ce fait soumis à des énergies de neutrons plus faibles.In the circular cylindrical enclosure defined by the first wall 1, a set of stacks 26 identical to that shown in FIG. 2a is arranged in a configuration allowing the area of the cross section of the pellets to be increased as a function of their distance supposed plasma coming from the left side of fig. 3. This increase in area tends to compensate for the drop in specific power of the most distant stack, which is therefore subject to weaker neutron energies.

Dans cette configuration de la fig. 3, les rondelles 17 ou 18 disposées concentriquement sur les tubes 22 de circulation d'eau et espacées de ceux-ci par des centreurs 27 définissant l'espace de lame d'hélium 23, sont soumises au balayage d'hélium circulant dans les espaces 15 et 23. L'ensemble des tubes 22 est réuni par ses tubulures d'entrée et de sortie de manière à constituer un circuit de refroidissement. De même, l'ensemble des espaces 15 est raccordé pour constituer le circuit de balayage par hélium. Un circuit d'eau non représenté permet d'assurer le refroidissement de la première paroi 1.In this configuration of FIG. 3, the washers 17 or 18 arranged concentrically on the water circulation tubes 22 and spaced therefrom by centralizers 27 defining the space of the helium strip 23, are subjected to the scanning of helium circulating in the spaces 15 and 23. The set of tubes 22 is joined by its inlet and outlet pipes so as to constitute a cooling circuit. Similarly, all of the spaces 15 are connected to constitute the helium scanning circuit. A water circuit, not shown, makes it possible to cool the first wall 1.

Dans une variante de réalisation du mode de mise en oeuvre de la fig. 3, la paroi de l'enceinte 1 se limite à la seule partie soumise au plasma et adopte une forme toroidale d'une certaine longueur, compatible avec celle des empilements 26.In an alternative embodiment of the embodiment of FIG. 3, the wall of the enclosure 1 is limited to the only part subjected to the plasma and adopts a toroidal shape of a certain length, compatible with that of the stacks 26.

La fig. 4 représente une variante de la disposition dite en grappe précédente.Fig. 4 shows a variant of the so-called preceding cluster arrangement.

Dans cette variante, toutefois, les empilements 26 ne sont pas individuellement enfermés dans une enveloppe annulaire définissant l'espace 15 de circulation d'hflium. La circulation du réfrigérant qu'il s'agisse d'H20 ou de D20 est toujours assurée par les tubes centraux 22, mais le balayage d'hélium est commun à l'ensemble des empilements ou modules unitaires 26 et a lieu dans l'espace 28 dans lequel baignent ceux-ci.In this variant, however, the stacks 26 are not individually enclosed in an annular envelope defining the circulation space 15 hflium. The circulation of the refrigerant, whether H 2 0 or D 2 0, is always ensured by the central tubes 22, but the scanning of helium is common to all of the stacks or unit modules 26 and takes place in the space 28 in which they bathe.

Dans la réalisation de la fig. 5, les empilements ont un axe parallèle à la direction radiale du plasma, les pastilles 17 et 18 sont empilées dans des tubes 29 dont le diamètre interne correspond au diamètre externe des pastilles 17-18; ce diamètre externe inclut des centreurs non représentés afin de ménager un espace identique à l'espace 23 précédent (Fig. 2, 3) délimitant une lame de gaz de balayage, ici de l'hélium. De même, comme sur la fig. 2a, les ressorts 19 assurent le maintien de l'empilement de pastilles 17, 18.In the embodiment of FIG. 5, the stacks have an axis parallel to the radial direction of the plasma, the pellets 17 and 18 are stacked in tubes 29 whose internal diameter corresponds to the external diameter of the pellets 17-18; this external diameter includes centralizers, not shown, in order to provide a space identical to the preceding space 23 (FIGS. 2, 3) delimiting a blade of sweeping gas, here helium. Similarly, as in fig. 2a, the springs 19 maintain the stack of pellets 17, 18.

Des conduits 30 réunissant les tubes 29 entre eux assurent la circulation de l'hélium de balayage des pastilles tritigènes. Dans cette disposition, le refroidissement de l'ensemble s'effectue à l'aide d'une circulation d'hélium pénétrant par la zone latérale 31 et extrayant les calories de l'ensemble des empilements 26 et des matériaux de structure tels que l'enceinte 1 et les tubes 29. Des tranquilliseurs ou baffles 32 sont disposés dans l'enceinte 1 afin d'effectuer un refroidissement optimisé de l'ensemble des empilements 26. Le gaz hélium de refroidissement sort selon le trajet de la flèche 33 après avoir refroidi les modules unitaires ou empilements 26.Conduits 30 joining the tubes 29 together ensure the circulation of the scanning helium of the tritigenic pellets. In this arrangement, the assembly is cooled using a circulation of helium penetrating through the lateral zone 31 and extracting the calories from all of the stacks 26 and structural materials such as enclosure 1 and the tubes 29. Tranquilizers or baffles 32 are arranged in the enclosure 1 in order to effect optimized cooling of all of the stacks 26. The helium cooling gas leaves along the path of the arrow 33 after having cooled unit modules or stacks 26.

La structure du dispositif selon la présente invention présente de multiples avantages. C'est ainsi que la juxtaposition du multiplicateur et du matériau tritigène sous forme divisée permet de :

  • - minimiser le pourcentage de matériau de structure dans la couverture,
  • - éviter la dégradation du spectre neutronique émis par le béryllium qui est particulièrement fragile, c'est-à-dire a forte section efficace de capture par les matériaux de structure, en limitant la capture des neutrons avant leur réaction sur le matériau tritigène ;
  • - permettre au béryllium de jouer un rôle de modérateur qui est particulièrement utile à l'arrière de la couverture.
The structure of the device according to the present invention has multiple advantages. Thus the juxtaposition of the multiplier and the tritigenic material in divided form makes it possible to:
  • - minimize the percentage of structural material in the roof,
  • avoid the degradation of the neutron spectrum emitted by beryllium which is particularly fragile, that is to say with a high effective cross-section for capture by structural materials, by limiting the capture of neutrons before their reaction on the tritigenic material;
  • - allow the beryllium to play a role of moderator which is particularly useful behind the cover.

De plus, le béryllium métal ayant une conductibilité thermique bien meilleure que les céramiques (d'un facteur voisin de 10), joue un rôle de pont thermique entre le matériau tritigène et le fluide caloporteur, ce qui permet :

  • - de multiplier la surface de contact entre. la source principale de chaleur et le tube de circulation du réfrigérant ;
  • - de réduire le gradient thermique selon le rayon de la pastille de céramique, d'où une plus grande facilité de rester dans la plage de température requise pour extraire le tritium et la possibilité d'utiliser des pastilles de céramiques de plus grand diamètre ;
  • - de réduire le gradient thermique dans la direction du flux de neutrons pour la disposition de la fig. 4, le gradient dans le béryllium entre la face de la pastille située le plus près du plasma et la face opposée étant très faible.
In addition, beryllium metal having a much better thermal conductivity than ceramics (by a factor close to 10), plays a role of thermal bridge between the tritigenic material and the heat transfer fluid, which allows:
  • - to multiply the contact surface between. the main heat source and the refrigerant circulation tube;
  • - Reduce the thermal gradient according to the radius of the ceramic pellet, hence easier to stay in the temperature range required to extract the tritium and the possibility of using ceramic pellets of larger diameter;
  • - to reduce the thermal gradient in the direction of the neutron flow for the arrangement of fig. 4, the gradient in beryllium between the face of the pellet located closest to the plasma and the opposite face being very small.

En outre, l'empilement de pastilles sur un tube intérieur contenant le caloporteur permet :

  • - de minimiser le gainage du fluide caloporteur car le fluide à la plus forte pression est contenu dans une enveloppe de plus petit diamètre ;
  • - de supporter l'empilement de pastilles, les tubes pouvant être liés entre eux au moyen de grilles reportant les efforts dûs à la pesanteur ou aux sollicitations sismiques sur l'enveloppe extérieure.
In addition, stacking pellets on an inner tube containing the coolant allows:
  • - minimize the cladding of the heat transfer fluid because the fluid at the highest pressure is contained in a casing of smaller diameter;
  • - to support the stacking of pellets, the tubes being able to be linked together by means of grids reporting the forces due to gravity, or to seismic stresses on the outer envelope.

Dans les descriptions précédentes, on a présenté le matériau multiplicateur comme Pb ou Be sous forme de métal pur ; pour des raisons métallurgiques, ces matériaux de base peuvent être des alliages ou des composés connus tels que PbO, BeO, PbBi, Zr5Pb3, HZr, Zr...In the preceding descriptions, the multiplier material has been presented as Pb or Be in the form of pure metal; for metallurgical reasons, these basic materials can be alloys or known compounds such as PbO, BeO, PbBi, Zr 5 Pb 3 , HZr, Zr ...

De même, dans les fig. 3, 4 et 5, on a montré des dispositions d'orientation des axes des empilements de pastilles, par rapport à l'axe du tore fournissant le plasma, dans le sens toroidal et le sens radial. Une autre possibilité, bien que n'apparaissant pas comme une solution optimale, serait une disposition dans le sens "pololdal", c'est-à-dire que, dans ce cas, les axes des empilements de pastilles seraient tangents aux petits cercles du plasma.Similarly, in Figs. 3, 4 and 5, arrangements of orientation of the axes of the stacks of pellets have been shown, with respect to the axis of the torus supplying the plasma, in the toroidal direction and in the radial direction. Another possibility, although not appearing as an optimal solution, would be a provision in the "pololdal" direction, that is to say that, in this case, the axes of the stacks of pellets would be tangent to the small circles of the plasma.

Claims (7)

1. Dispositif de couverture de réacteur à fusion utilisant la réaction D, T à matériaux tritigènes solides du genre de ceux qui comportent de façon connue, au voisinage d'un plasma générateur de neutrons (F), un milieu (3) multiplicateur de neutrons et un milieu tritigène (4) refroidis par circulation d'un fluide réfrigérant et une circulation (8, 9) d'un gaz neutre d'entraînement et d'extraction du tritium engendré dans le milieu tritigène pour alimenter le plasma, caractérisé en ce que l'association des milieux multiplicateur et tritigène est réalisée par des empilements alternés de pastilles (17, 18) de chacun de ces deux milieux, maintenues en contact intime sur toutes leurs surfaces latérales.1. Device for covering a fusion reactor using the D, T reaction using solid tritigenic materials of the kind of those which, in known manner, in the vicinity of a neutron generating plasma (F), a neutron multiplier medium (3) and a tritigenic medium (4) cooled by circulation of a refrigerating fluid and a circulation (8, 9) of a neutral gas for entraining and extracting the tritium generated in the tritigenic medium to supply the plasma, characterized in that that the association of multiplier and tritigenic media is achieved by alternating stacks of pellets (17, 18) of each of these two media, maintained in intimate contact over all of their lateral surfaces. 2. Dispositif de couverture de réacteur à fusion selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque empilement forme un module unitaire (26) constitué de pastilles cylindriques (17, 18) percées d'un orifice cylindrique central et empilées dans un boîtier annulaire (16) de diamètre interne supérieur au diamètre externe des pastilles et comportant de ce fait une chambre latérale (15) de circulation d'hélium et une canalisation centrale (22) également cylindrique autour de laquelle sont enfilées les pastilles et parcourue par le fluide réfrigérant, le serrage des pastilles assurant le contact intime de leurs faces latérales étant obtenu sous l'effet de la compression d'un système élastique (19) prenant appui sur les fonds du boîtier annulaire.2. A fusion reactor cover device according to claim 1, characterized in that each stack forms a unitary module (26) consisting of cylindrical pellets (17, 18) pierced with a central cylindrical orifice and stacked in an annular housing ( 16) of internal diameter greater than the external diameter of the pellets and therefore comprising a lateral chamber (15) of helium circulation and a central pipe (22) also cylindrical around which the pellets are threaded and traversed by the refrigerant, the tightening of the pellets ensuring the intimate contact of their lateral faces being obtained under the effect of the compression of an elastic system (19) bearing on the bottoms of the annular housing. 3. Dispositif de couverture de réacteur à fusion selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un assemblage de modules unitaires (26) rassemblés dans une enceinte unique (1), lesdits assemblages ayant des sections droites croissantes en fonction de la distance qui les sépare du plasma générateur de neutrons.3. A fusion reactor cover device according to claim 2, characterized in that that it comprises an assembly of unit modules (26) assembled in a single enclosure (1), said assemblies having increasing cross sections as a function of the distance which separates them from the plasma generating neutrons. 4. Dispositif de couverture de réacteur à fusion selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, dans une enceinte unique (1) parcourue par un gaz neutre de balayage un assemblage de modules unitaires (26) dont chacun comporte un empilement de pastilles cylindriques (17, 18) percées d'un orifice cylindrique central par l'intermédiaire duquel elles sont enfilées conjointement sur une canalisation centrale (22) également cylindrique et parcourue par le fluide réfrigérant lesdits assemblages (26) ayant des sections droites croissantes en fonction de la distance qui les sépare du plasma générateur de neutrons.4. A fusion reactor covering device according to claim 1, characterized in that it comprises, in a single enclosure (1) traversed by a neutral sweeping gas, an assembly of unit modules (26) each of which comprises a stack of cylindrical pads (17, 18) pierced with a central cylindrical orifice through which they are threaded jointly on a central pipe (22) also cylindrical and traversed by the coolant said assemblies (26) having cross sections increasing in function the distance between them and the neutron generating plasma. 5. Dispositif de couverture de réacteur à fusion selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, dans une enceinte unique (1) parcourue par un gaz réfrigérant un assemblage de modules unitaires (26) dont chacun comporte, un empilement de pastilles pleines montées adjacentes dans un boîtier cylindrique (29) et munies de centreurs délimitant entre le boîtier et les pastilles un espace (23) pour la circulation du gaz neutre d'entraînement du tritium, lesdits modules (26) étant alimentés chacun et interconnectés entre eux par des conduites (30) de gaz neutre d'entraînement du tritium et le serrage des pastilles assurant le contact intime de leurs faces latérales étant obtenu sous l'effet de la compression d'un système élastique (19) prenant appui sur les fonds des boîtiers.5. A fusion reactor cover device according to claim 1, characterized in that it comprises, in a single enclosure (1) traversed by a refrigerant gas, an assembly of unit modules (26) each of which comprises, a stack of pellets full mounted adjacent in a cylindrical housing (29) and provided with centralizers delimiting between the housing and the pellets a space (23) for the circulation of the neutral gas driving the tritium, said modules (26) being each supplied and interconnected with each other by neutral tritium entrainment gas lines (30) and the tightening of the pellets ensuring the intimate contact of their lateral faces being obtained under the effect of the compression of an elastic system (19) resting on the bottoms of the housings. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 précédentes, caractérisé en ce que l'empilement des pastilles cylindriques (17, 18) est assuré par le fait qu'elles comportent alternativement des épaulements (25), et des alésages sur l'un de leurs bords permettant leur emboîtement intime.6. Device according to any one of the preceding claims 1 to 5, characterized in that the stacking of the cylindrical pellets (17, 18) is ensured by the fact that they alternately have shoulders (25), and bores on one of their edges allowing their intimate nesting. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 précédentes, caractérisé en ce que le centrage des pastilles (17, 18) sur la canalisation centrale (22) est réalisé à l'aide de centreurs faisant partie intégrante des pastilles (24) ou rapportés (27) placés entre les pastilles et la canalisation, de façon à ménager une zone (23) de maintien d'une lame de gaz neutre.7. Device according to any one of the preceding claims 1 to 4, characterized in that the centering of the pellets (17, 18) on the central pipe (22) is carried out using centralizers forming an integral part of the pellets (24 ) or attached (27) placed between the pellets and the pipe, so as to provide a zone (23) for holding a neutral gas blade.
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